土体发育长期实时监测方法及装置

1.土体发育长期实时监测方法，其特征在于：
将两组压电智能骨料阵列分别定位于执行混凝土桩和感应混凝土桩钢筋笼上，将执行混凝土桩和感应混凝土桩埋入土体；定位于执行混凝土桩钢筋笼上的一组压电智能骨料阵列为第一压电智能骨料阵列，并连接信号发生单元，信号发生单元用来对第一压电智能骨料阵列施加变化的电信号激励波；定位于感应混凝土桩钢筋笼上的一组压电智能骨料阵列为第二压电智能骨料阵列，并连接数据采集单元，数据采集单元用来采集第二压电智能骨料阵列输出的电压信号波，根据电压信号波获得土体发育状态；
所述的根据电压信号波获得土体发育状态，进一步包括子步骤：
(1)建立电压信号波样本库：
在不同发育状态土体中采用上述方法获得不同发育状态土体对应的电压信号波，并建立电压信号波样本库；
(2)将待监测土体对应的电压信号波与电压信号波样本库中电压信号波进行比对，获得待监测土体的发育状态。
2.如权利要求1所述的土体发育长期实时监测方法，其特征在于：
所述的压电智能骨料包括压电片和包覆于压电片外的混凝土保护层。
3.土体发育长期实时监测系统，其特征在于，包括：
土体发育实时监测装置、节点处理器、上级数据处理单元和中央处理器，土体发育实时监测装置采集的数据通过第一通信模块进行传输并存储于节点处理器，节点处理器将存储的数据通过第二通信模块传输至上级数据处理单元，上级数据处理单元通过第三通信模块将接收的数据传输至中央处理器；
所述土体发育实时监测装置包括执行混凝土桩和感应混凝土桩，执行混凝土桩钢筋笼上定位有第一压电智能骨料阵列，感应混凝土桩钢筋笼上定位有第二压电智能骨料阵列，第一压电智能骨料阵列连接信号发生单元，第二压电智能骨料阵列连接数据采集单元；所述的信号发生单元用来对第一压电智能骨料阵列施加变化的电信号激励波。
4.如权利要求3所述的土体发育长期实时监测系统，其特征在于：
所述的第一通信模块、所述的第二通信模块和所述的第三通信模块均为无线通信模块。

土体发育长期实时监测方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于土建监测与评估技术领域，尤其涉及一种土体发育长期实时监测方法及装置。\n背景技术\n[0002] 在土建监测领域，需要评估桩的承载能力，而桩的承载能力很大程度取决于桩基周围土体的发育状态，因此需要监测土体发育状态。目前，土体发育状态一般通过检测土体样本获得，无法实时获取土体发育状态。本发明利用压电智能骨料对土体发育状态进行实时长期监测，目前还没有任何相关报道。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是提供一种基于压电智能骨料的土体发育长期实时监测方法及系统，本发明通过两组压电智能骨料分别构成执行端和感应端，并通过感应端感应激励波在土体间的行为模式来获得土体发育状态。\n[0004] 为达到上述目的，本发明提供了一种土体发育长期实时监测方法：将两组压电智能骨料阵列分别定位于两根混凝土桩钢筋笼上，将混凝土桩埋入土体；对一组压电智能骨料阵列施加变化的电信号激励波，并采集另一组压电智能骨料阵列输出的电压信号波，根据电压信号波获得土体发育状态。\n[0005] 上述压电智能骨料包括压电片和包覆于压电片外的混凝土保护层。作为优选，压电片外包覆有防水层。\n[0006] 上述根据电压信号波获得土体发育状态，进一步包括子步骤：\n[0007] (1)建立电压信号波样本库：\n[0008] 在不同发育状态土体中采用上述方法进行监测，获得不同发育状态土体对应的电压信号波，并建立电压信号波样本库；\n[0009] (2)将待监测土体的电压信号波与电压信号波样本库中电压信号波进行比对，获得待监测土体的发育状态。\n[0010] 本发明还提供了一种土体发育长期实时监测装置，包括：\n[0011] 执行混凝土桩和感应混凝土桩，执行混凝土桩钢筋笼上定位有第一压电智能骨料阵列，感应混凝土桩钢筋笼上定位有第二压电智能骨料阵列，第一压电智能骨料阵列连接信号发生单元，第二压电智能骨料阵列连接数据采集单元；所述的信号发生单元用来对第一压电智能骨料阵列施加变化的电信号激励波。\n[0012] 上述第一压电智能骨料阵列沿执行混凝土桩长度方向等间距定位于执行混凝土桩钢筋笼上；所述的第二压电智能骨料阵列沿感应混凝土桩长度方向等间距定位于感应混凝土桩钢筋笼上。\n[0013] 上述压电智能骨料包括压电片和包覆于压电片外的混凝土保护层。作为优选，压电片外包覆有防水层。\n[0014] 本发明再提供了一种土体发育长期实时监测系统，包括：\n[0015] 土体发育实时监测装置、节点处理器、上级数据处理单元和中央处理器，土体发育实时监测装置采集数据通过第一通信模块传输并存储于节点处理器，节点处理器将存储数据通过第二通信模块传输至上级数据处理单元，上级数据处理单元通过第三通信模块将接收的数据传输至中央处理器。\n[0016] 上述第一通信模块、第二通信模块和第三通信模块均为无线通信模块。\n[0017] 本发明采用主动传感监测方式：既执行端压电智能骨料作为执行器发射激励波并在土体内传递，感应端压电智能骨料作为感应器感应激励波在不同地方的响应。土体不同程度的发育状态变化会相应地影响激励波的传递性能。激励波传递性能与土体发育状态具有一定对应关系。\n[0018] 激励波在土体中的传播视为以一维纵波形式，波动方程为 其\n中，u表示单位位移， E为杨氏模量，ρ为材料密度。激励波的谐波响应能量从而获得谐波振幅 其中ω为谐波角频率。\n根据公式 可知谐波振幅A与介质材料(即土体)的杨氏模块E有关。杨氏模量又和土体发育过程有关，杨氏模量是评定土体强度的主要指标，随着土体发育状态改变，土体强度发生变化，杨氏模量也会发生变化，谐波振幅相应发生变化。谐波振幅A也被定义为冻融指标，通过观察冻融指标的变化可监测到土体强度的变化，从而获得土体发育状态的改变。见图2～3，图2为测试的土体样本温度随时间的变化曲线，图3为土体样本温度和冻融指数的关系曲线，图3反映了土体内应力波演变，波峰表明土体强度最大值，波谷表示土体强度最小值，波形变化表明了土体发育过程。\n[0019] 和现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：\n[0020] 采用压电智能骨料实现了土体发育实时监测，获得的土体发育状态数据可为桩土耦合性能演变提供分析依据。\n附图说明\n[0021] 图1为本发明土体发育实时监测装置示意图；\n[0022] 图2为土体样本温度随时间的变化曲线；\n[0023] 图3为土体样本温度和冻融指数的关系曲线；\n[0024] 图4为本发明土体发育实时监测系统的网络拓扑结构示意图。\n具体实施方式\n[0025] 本发明基于压电智能骨料实现，压电智能骨料的核心为压电片，压电片具有压电特性，即发生应变时会输出电压信号，所加电场变化时会输出产生应变信号，由于该特性使得压电片即可用作感应器，又可用作执行器。压电智能骨料由压电片和压电片外的混凝土保护层构成，作为优选，压电片经过防水处理，即压电片外包覆有环氧树脂防水层。\n[0026] 本发明利用压电智能骨料的压电特性，见图1，将两组压电智能骨料阵列分别定位于两根混凝土桩钢筋笼上，对混凝土桩灌注混凝土后埋人土体内，两根混凝土桩间相隔一定距离，该距离要既能保证两根混凝土桩间的土体能代表待监测土体区域的发育状况，又能够保证波动信号的正常传输。\n[0027] 两组压电智能骨料阵列中的一组作为执行端，定位于执行混凝土桩内；另一组作为感应端，定位于感应混凝土桩内；执行端用来发射信号，感应端用来接收执行端发送的信号。压电智能骨料阵列为沿混凝土桩长度方向按预设间隔定位于混凝土桩钢筋笼的一系列压电智能骨料。执行端的压电智能骨料阵列通过导线引出与信号发生单元相连，感应端的压电智能骨料阵列通过导线引出与数据采集单元相连。本具体实施中，信号发生单元采用NI公司PXI信号发生器，数据采集单元采用美国National Instrument公司USB-6009数据采集卡。\n[0028] 信号发生单元向执行端发送变化的电信号激励波，执行端的压电智能骨料发生形变，从而产生应力激励波，并通过土体传输到感应桩，接收到应力激励波的感应端压电智能骨料产生电压信号，被数据采集单元采集。应力激励波在土体内传输中，若土体发育状态稳定，则应力激励波规律变化，数据采集装置采集的电压信号一定时段内呈现稳定特性；若土体由于气候等因素变化发生发育演变，应力激励波相应呈现出剧烈变化，数据采集单元采集的电压信号也会发生剧烈变化，电压信号的剧烈变化可反映相应时段内土体的演变过程。\n[0029] 采用执行桩和感应桩组合可对土体的不同区域进行监测，本具体实施中采用优化数据传输网络拓扑结构实现高频数据的实时传送。见图4，优化数据传输网络拓扑中，一组执行桩和感应桩组合监测的土体发育状态数据存储于置于终端的节点处理器，节点处理器通过无线通信模块将存储的数据上传至上级的数据处理单元。上级的数据处理单元将接收的数据上传至中央处理器。\n[0030] 下面将结合具体实施方式进一步说明本发明的工作过程和原理：\n[0031] 1、将压电片外层依次包裹环氧树脂层、混凝土保护层，环氧树脂层用来防水，从而获得压电智能骨料，本具体实施方式中采用的压电片为PZT压电片。\n[0032] 2、将一组压电智能骨料等间距埋人执行混凝土桩，并定位于执行混凝土桩钢筋笼；另一组压电智能骨料则等间距埋人感应混凝土桩，定位于感应混凝土桩钢筋笼；将与压电智能骨料相连的信号线从混凝土桩顶部引出。\n[0033] 3、将执行混凝土桩和感应混凝土桩埋入待监测土体中，执行混凝土桩用来发射应力激励波，感应混凝土桩用来接收执行混凝土桩发射的应力激励波。应力激励波的特性由信号发生单元产生，可设定信号发生单元发生不同的电信号激励波以分析应力激励波经土体传递的变化。\n[0034] 执行混凝土桩产生的应力激励波经土体传输后，由于土体在各个阶段发育状态的不同，传输过程中应力激励波必然会产生不同的变化特性，经土体传输后的应力激励波会引起感应混凝土桩产生电压信号波，并由数据采集单元接收，传输过程中应力激励波的变化必然会引起混凝土桩产生的电压信号波的变化。\n[0035] 表征土体发育状态的常用参数包括孔隙率、含水率、冻融指数剪切模量等。在不同发育状态土体中采用本发明装置进行监测，获得不同发育状态的土体对应的电压信号波，并建立电压信号波样本库。将每次数据采集单元采集的电压信号波与电压信号波样本库中电压信号波进行比对，获得土体发育状态。\n[0036] 5、数据采集单元通过无线传输模块将各组执行桩和感应桩组合监测的土体发育状态数据发送并存储至节点处理器，节点处理器通过无线传输模块将存储数据上传至上级的数据处理单元。上级的数据处理单元将接收数据上传至远程的中央处理器。通过中央处理器即可获得土体各待监测区域的发育状态，该发育状态数据及相应波谱可供桩土耦合性能的演变提供分析依据。